孔李杰，王 營，夏 昕，許 愷

(三江學院 高等職業(yè)技術學院，南京 210012)

在工業(yè)機器人應用中，搬運機器人是應用率最高的機器人之一，尤其是在工業(yè)制造、港口碼頭、倉儲物流、食品等領域應用廣泛。模擬實際作業(yè)環(huán)境設計了一款搬運機器人，以充分滿足搬運工作的快速性、準確性要求。

1 總體設計

為了提高機器人的處理能力和性能，小車采用四輪驅(qū)動，其優(yōu)點是有足夠的動力，可承載車載硬件，使小車在更短的時間內(nèi)完成比賽。選擇了具有編碼器的電機，使用了13個模擬灰度傳感器，在物料堆放中使用3D打印技術進行夾子制作。在夾子后方，使用滑塊機構(gòu)，使夾子可以上下移動，方便物料堆放。在機器右側(cè)制作了一個物料鉤，采用舵機控制并給予物料鉤兩個方向自由度。為了能讓機器人高速運轉(zhuǎn)，采用編碼電機控制電機精準轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。顏色識別選用TCS230芯片，通過讀取模塊返回的RGB值判斷所夾取的物塊顏色。

1.1 主控電路

1.1.1 MegaPi Pro控制板

MegaPi Pro是個基于ATmega2560的微主控板，完全兼容Arduino編程。MegaPi Pro擁有強大的驅(qū)動能力，輸出功率最高可達120 W，有4個PORT插口，1個四路電機擴展接口，1個RJ25轉(zhuǎn)接板接口，1個智能能板接口。強大的擴展能力使其可以輕松應對教育、比賽娛樂等方面的要求。

1.1.2 電機驅(qū)動電路

為了提高電流效率，有效發(fā)揮電機功能，延長電池使用時間，設計了大功率H橋雙路電機驅(qū)動模塊，其優(yōu)點是可承受高電流高電壓，提高電流效率，控制電機精準轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。供電電壓在3～36 V，能承受最大電流為16 A。采用了8片N溝道的MOS管組成。

1.1.3 顏色識別

選用TCS230芯片讀取模塊返回的RGB值，判斷所夾取的物塊顏色。

1.2 機械結(jié)構(gòu)設計

1.2.1 整體外觀

整體外觀如圖1所示。

圖1 機械結(jié)構(gòu)設計整體外觀圖Fig.1 Overall appearance drawing of mechanical structure design

1.2.2 套筒機構(gòu)

區(qū)別于傳統(tǒng)兩部分組合套筒，采用自主創(chuàng)新設計的兩開門套筒機構(gòu)。該結(jié)構(gòu)分為三部分，中間部分為固定部分，其下部連接有固定叉子，其作用是引導物塊進入指定區(qū)域，以便在套筒抓取和投放過程不會出現(xiàn)卡殼取空現(xiàn)象。叉子上方為顏色識別模塊固定板，其作用是在套筒成功抓取物塊對其進行顏色識別時，使物塊緊貼顏色傳感器，避免因接觸不充分而產(chǎn)生失誤，從而減少顏色讀取的失誤率。顏色識別固定板上方為直徑40 mm圓弧光滑擋板，其作用是防止物塊下落過程中因上下物塊位置不齊而出現(xiàn)卡頓、倒塌情況。左右兩邊為左右開合式套筒，其下端分別連接齒輪和舵機，其作用是抓取和放置物塊。

1.2.3 升降結(jié)構(gòu)

360°舵機結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性、平衡性，能夠防止物塊上升和下降過程中產(chǎn)生晃動，致使物塊掉落產(chǎn)生不必要的損失。

1.2.4 物塊鉤

采用左右兩舵機單鉤系統(tǒng)能夠精準控制鉤子的移動角度方向，可在XYZ三方向?qū)ξ飰K進行精準控制，更快更高效地完成鉤取任務。

1.3 硬件設計

小車行走信息來源：觸角灰度傳感器、巡線灰度傳感器、編碼器讀值、邏輯程序的執(zhí)行。小車行走控制中心：Arduino 2560控制板。小車行走輸出設備：電機運轉(zhuǎn)、升降電機運行、舵機執(zhí)行。電路接線圖如圖2所示。

圖2 電路接線圖Fig.2 Circuit interconnect pattern

1.4 軟件設計

本次算法設計主要分為兩部分：一部分對應規(guī)則的第一環(huán)節(jié)，主要設計思路是由起點出發(fā)直接巡線到達C物塊處，抓取并設別顏色，如果對應相應顏色，將此物快送到相應位置，否則抓取E處物塊并識別顏色，重復進行上述過程。若都不符合對應顏色，將3個物塊都加在套筒中，依次將3個物塊送到對應顏色區(qū)域。結(jié)束第一環(huán)節(jié)，準備開始第二環(huán)節(jié)。第二部分采用單鉤設計理念，機器人首先到達F區(qū)域，一次將抓取2個物塊，再去G區(qū)抓取2個物塊，將其放在相應的顏色區(qū)域，夾取物塊重復上述過程。

2 關鍵技術及其實現(xiàn)過程

2.1 電機控制

本次比賽規(guī)則要求制作一臺輪式機器人，基于單片機控制的電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制，結(jié)合選用的Arduino主控芯片及驅(qū)動板橋，電路模塊實際控制程序如下：定義電機輸出信號端口，定義PWM輸出，X取值范圍0～255。巡線過程使用四路灰度傳感器檢測黑線，通過數(shù)字量灰度傳感器檢測機器人行進過程中遇到的各種路口情況。

2.2 抓取機構(gòu)開發(fā)

抓取機構(gòu)主要由舵機驅(qū)動，舵機也叫伺服電機，在直流電機的基礎上添加一個芯片，可以通過信號口的PWM信號精確控制其轉(zhuǎn)動角度，常見的有180°舵機、270°舵機及360°舵機。本次搬運機器人共用到5個180°舵機和1個270°舵機，分別控制兩側(cè)鉤子的上下左右轉(zhuǎn)動、套筒的開合及升降。以此完成比賽過程中對于第一環(huán)節(jié)的3個物塊的抓取及放置，對于第二環(huán)節(jié)兩個區(qū)域的物塊進行精確鉤取。

2.3 顏色識別系統(tǒng)

顏色識別模塊選用230模塊，搭載TCS230芯片。模塊通過讀取物塊的RGB值返回至主控制芯片，通過程序?qū)Ψ祷氐腞GB值進行比較，判斷出物塊顏色。通信模式選用串口協(xié)議，波特率選用9 600 bps。

2.4 競賽策略

第一環(huán)節(jié)：先采取抓一個放一個的方法。從起點出發(fā)，先直行至C點，抓住物塊C。若物塊C為紅色直接直行放到紅色圓點，若為白色黑色則退回中心點，分別左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)45°將物塊C放到對應的顏色圓點。若物塊C為藍色則退回中心點右轉(zhuǎn)45°，直行抬起套筒抓住物塊E，先放物塊E，若物塊E為白紅黑色，直接退回中心點，然后分別左轉(zhuǎn)135°、90°、45°，放物塊E至相應的顏色圓點，然后放物塊C，放完后退至中心點右轉(zhuǎn)180°抓A，若A為綠色直接直行放綠色圓點，若為白紅黑色則退回中心點。分別右轉(zhuǎn)45°、90°、135°，放物塊A至相應的顏色圓點。若物塊C為綠色則退回中心點右轉(zhuǎn)45°，直行抬起套筒抓住物塊E，先放物塊E，若物塊E為藍色，直接直行放至藍色圓點，若物塊E為白紅黑色，直接退回中心點，然后分別左轉(zhuǎn)135°、90°、45°，放物塊E至相應的顏色圓點，然后退回中心點，轉(zhuǎn)角去抓物塊A，抓完物塊A退回中心點，若物塊A為白紅黑藍，直接轉(zhuǎn)角去放物塊A，最后放物塊C。若物塊E為綠色則右轉(zhuǎn)180°去抓物塊A，退回至中心點，轉(zhuǎn)角將物塊A放至相應的顏色圓點，最后去放物塊E，至此結(jié)束第一環(huán)節(jié)。

第二環(huán)節(jié)：小車退回至中心點，轉(zhuǎn)角至F直行去鉤物塊AB，退回中心點，左轉(zhuǎn)90°直行，鉤子轉(zhuǎn)動，先將物塊A放進套筒，再將物塊B放進套筒，去鉤G中物塊BA，將G中物塊B放進套筒，送物塊B至相應的顏色圓點。將物塊A放進套筒，送物塊A至相應的顏色圓點。送完FG中的物塊AB，再轉(zhuǎn)角去抓G中的物塊CED，先將物塊C放進套筒內(nèi)，再將物塊E放進套筒，直行抬起套筒抓住物塊D，退回至中心點，右轉(zhuǎn)90°，直行去抓F中物塊CED，用鉤子鉤住物塊CE，將小車抬起套筒直行抓住D物塊。退回中心點，先將鉤子里的物塊C放至相應顏色圓點的黑線上，再將物塊D放入相應顏色圓點，再將套筒里的物塊E放入相應顏色圓點，移動至與物塊C相應的黑線，將物塊C放至相應顏色圓點，最后退至中心點，轉(zhuǎn)角至起點方向，直行回到起點。

3 結(jié)語

在機器人轉(zhuǎn)角上進行創(chuàng)新，增加前輪抓地力，減小后輪抓地力，使其在轉(zhuǎn)動時以前輪為主動輪，以后輪為從動輪，以保證機器人轉(zhuǎn)動過程中中心不會變化。在升降結(jié)構(gòu)上使用導軌滑塊作為基礎傳動，帶動套筒上下運動，實現(xiàn)上下運動的平滑、穩(wěn)定、快速。本機器人的結(jié)構(gòu)設計基本打破傳統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)，進行重新設計，對于不足的部分通過重新設計對其功能進行加強，使其結(jié)構(gòu)更加合理、穩(wěn)定。